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Hintergrund der Erfindung
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Die hierin beschriebenen Ausführungsformen betreffen im Wesentlichen den Betrieb eines Stromerzeugungssystems und insbesondere die Nutzung von Daten, die aus einer Phasenlagen- bzw. sog. Phasor-Messeinheit (PMU) erhalten werden, um das Stromerzeugungssystem zu steuern.
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Sonnen- und Windkraft sind Beispiele erneuerbarer Energiequellen, die zunehmend attraktive alternative Energiequellen werden. Solarenergie in der Form von Sonnenlicht kann durch Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt werden. Ein allgemeinerer Begriff für Vorrichtungen, die Licht direkt in elektrische Energie umwandeln, ist ”photovoltaische Zellen”. Solarfarmen enthalten mehrere miteinander verbundene Solarzellen, um einen gewünschten Stromwert bereitzustellen. Windenergie kann unter Einsatz eines Windkraftanlagengenerators in elektrische Energie umgewandelt werden. Windkraftanlagengeneratoren enthalten typischerweise einen Rotor mit mehreren Blättern, die Windenergie in eine Drehbewegung einer Antriebswelle umwandeln, welche wiederum zum Antreiben eines elektrischen Generators genutzt wird. Windfarmen enthalten mehrere miteinander verbundene Windkraftanlagengeneratoren, um einen gewünschten Stromwert bereitzustellen.
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Von einem Elektrizitätswerk unter Anwendung von erneuerbaren Energiequellen oder von auf fossilem Brennstoff basierenden Energiequellen erzeugter Strom wird typischerweise über ein elektrisches Netz an einen Verbraucher geliefert. Der erzeugte Strom kann an eine Leistungselektronik, beispielsweise einen Stromwandler geliefert werden, um den Strom vor der Einspeisung in das elektrische Netz zu konditionieren. In das elektrische Netz eingespeiste Elektrizität muss Netzanschlussanforderungen erfüllen. Diese Anforderungen betreffen Sicherheitsprobleme sowie Stromqualitätsbelange. Beispielsweise beinhalten die Netzanschlussanforderungen den Betrieb des Stromerzeugungssystems während eines vorübergehenden Netzereignisses, wie z. B. bei einem Kurzschlussfehler im elektrischen Netz. Diese Fähigkeit kann als ein Spannungseinbruch (LVRT – Low Voltage Ride Through) oder als ein Nullspannungseinbruch (ZVRT – Zero Voltage Ride Through) bezeichnet werden. Ein LVRT/ZVRT-Ereignis ist ein Zustand, bei dem die Wechselstrom-(AC)-Versorgungsspannung auf irgendeiner Phase des elektrischen Netzes oder mehreren Phasen des elektrischen Netzes niedrig ist. Während eines LVRT-/ZVRT-Ereignisses ist die Fähigkeit des elektrischen Netzes, Strom aus dem Stromerzeugungssystem aufzunehmen, gering. Eine weitere Netzanschlussanforderung besteht darin, dass die Abgabegrößen des Erzeugungssystems mit der Spannung und Frequenz der durch das elektrische Netz fließenden Elektrizität übereinstimmen.
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Die entfernte Lage und die hohe Nennleistung typischer Farmen für erneuerbare Energie bewirken typischerweise eine schwache Netzanbindung, sofern nicht eine hohe Investition zur Verbesserung der Anbindung getätigt wird, wie z. B. durch die Einbeziehung größerer Übertragungsleitungen und/oder Stromkreiskompensationsanlagen. Ein niedriges Kurzschlussverhältnis (SCR) ist ein Hinweis darauf, dass das Netz schwach ist. Beispielsweise kann es, wenn das SCR unter 1,5 liegt, sein, dass ein herkömmlicher stromgesteuerter Generatortyp nicht in der Lage ist, stabil zu arbeiten, und ein spannungsgesteuerter Generator muss relativ langsam abgestimmt sein, um stabil zu arbeiten. Um den Generator mit der langsamen Steuerung zu betreiben, ist eine zusätzliche Geräteinvestition erforderlich, um genug Betriebsreserve sicherzustellen (d. h. die Größe eines in dem Stromwandler enthaltenen Gleichstrom-(DC)-Brückenkondensators muss erhöht werden).
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Ferner sind typischerweise elektrische Generatoren mit hohen Nennleistungen in einer Farm erneuerbarer Energie enthalten, um der Farm zu ermöglichen, ein Fehlerereignis zu überstehen und einen Lastabwurf oder Ausfall nach dem Fehler zu vermeiden. Jedoch ist während eines Spannungseinbruch- und insbesondere eines Nullspannungs-Fehlereignisses die Aufrechterhaltung der Synchronisation mit der Netzspannung schwierig, da die gemessene Netzbezugsspannung, die typischerweise zur Aufrechterhaltung der Synchronisation zwischen dem elektrischen Generator und dem Netz verwendet wird, niedrig ist. Wenn ein Fehlerereignis schwerwiegend ist, kann es sein, dass nicht genügend Restnetzspannung für eine Steuerung zur Nutzung als ein Bezugswert zur Verfügung steht. Unter diesen Umständen kann die Generatorsteuerung unabhängig eine Frequenz ermitteln, bei welcher der Strom abzugeben ist, welche zu dem Netz außer Takt sein kann. Wenn während der Erholung von einem Fehlerereignis die Generatoren zu dem Netz außer Takt sind, kann ein schädlich hoher Übergangsstromfluß aufgrund einer Phasenwinkeldifferenz zwischen den Generatoren und dem Netz auftreten.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In einem Aspekt wird ein Stromversorgungssystem bereitgestellt. Das Stromversorgungssystem enthält wenigstens einen Leiter mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende und eine mit dem ersten Ende des Leiters verbundene Phasor-Messeinheit (PMU). Die PMU ist dafür eingerichtet, Phasor-Daten an dem ersten Ende zu gewinnen und ein Phasor-Signal zu erzeugen, das die Phasor-Daten enthält. Das Stromversorgungssystem enthält auch ein mit dem zweiten Ende des Leiters verbundenes und zur Lieferung von Strom an den Leiter eingerichtetes Stromerzeugungssystem. Das Stromerzeugungssystem enthält eine Stromquelle, einen Stromwandler und eine Steuerung. Die Steuerung ist kommunikationstechnisch mit der PMU verbunden und zum Empfang des Phasor-Signals und zur Steuerung des Stromwandlers wenigstens teilweise auf der Basis der Phasor-Daten eingerichtet.
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In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung wenigstens eines Stromwandlers bereitgestellt, der zur Lieferung von Strom an ein elektrisches Netz über eine Übertragungsleitung eingerichtet ist. Das Verfahren beinhaltet die Überwachung einer Spannungsabgabe des Stromwandlers und die Aufzeichnung von Spannungsabgabedaten in Verbindung mit der Spannungsabgabe. Das Verfahren beinhaltet auch den Empfang eines Zeitbezugssignals und die Zuordnung eines Zeitstempels zu den Spannungsabgabedaten. Das Verfahren beinhaltet auch die Messung eines Spannungs-Phasors an einer ersten Stelle, die sich an einem dem Stromwandler gegenüberliegenden Ende der Übertragungsleitung befindet. Das Verfahren beinhaltet auch den Empfang des Zeitbezugssignals und die Zuordnung des Zeitbezugssignals zu dem Spannungs-Phasor, um Phasor-Daten zu erzeugen. Das Verfahren beinhaltet auch eine Übertragung der Phasor-Daten an eine Stromwandlersteuerung und das Steuern, unter Nutzung der Stromwandlersteuerung, des Stromwandlers wenigstens teilweise auf der Basis der Phasor-Daten und der Spannungsabgabedaten.
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In noch einem weiteren Aspekt wird eine Steuerung zum Steuern eines mit einer Übertragungsleitung verbundenen Stromwandlers bereitgestellt. Die Stromwandlersteuerung enthält einen für den Empfang eines Zeitbezugssignals eingerichteten GPS-(Global Positioning System)-Empfänger und einen zum Speichern der einer Spannungsabgabe des Stromwandlers zugeordneten Spannungsabgabedaten eingerichteten Speicher. Die Stromwandlersteuerung enthält auch eine Verarbeitungseinrichtung, die dafür eingerichtet ist, den in der Speichereinrichtung gespeicherten Abgabedaten einen Zeitbezugswert zuzuordnen. Die Verarbeitungsvorrichtung ist auch dafür eingerichtet, Phasor-Daten aus einer an einem dem Stromwandler gegenüberliegenden Ende der Übertragungsleitung positionierten Phasor-Messeinheit (PMU) zu empfangen. Die Phasor-Daten beinhalten einen Zeitbezugsstempel, der die Phasor-Daten mit einem entsprechenden Messzeitpunkt verknüpft. Die Verarbeitungsvorrichtung ist auch dafür eingerichtet, die Phasor-Daten und die Spannungsabgabedaten mit demselben Zeitstempel zu vergleichen und den Betrieb des Stromwandlers wenigstens teilweise auf der Basis der Phasor-Daten und der Spannungsabgabedaten zu steuern.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Blockdarstellung eines exemplarischen Stromversorgungssystems, das ein mit einem elektrischen Netz verbundenes Stromerzeugungssystem enthält.
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2 ist ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Steuern des in 1 dargestellten Stromerzeugungssystems.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die hierin beschriebenen Verfahren, Systeme und computerlesbaren Medien ermöglichen unter Verwendung von einer Phasor-Messeinheit (PMU) gesammelter Daten ein auf erneuerbarer Energie basierendes Stromerzeugungssystem zu steuern. Insbesondere werden von einer entfernt angeordneten PMU empfangene Phasor-Daten durch eine Stromerzeugungssystemsteuerung genutzt, um eine Synchronisation zwischen dem Stromerzeugungssystem und dem elektrischen Netz aufrechtzuerhalten. Die Synchronisation wird aufrechterhalten, sobald das Stromerzeugungssystem ein Netzereignis durchläuft oder Strom an ein elektrisches Netz mit einem längeren Netzspannungseinbruch liefert. Ferner basiert der Betrieb des Stromerzeugungssystems auf einer Stromflußsysteminformation aus der entfernt angeordneten PMU. Beispielsweise können die Wandlerbetriebsparameter auf der Basis von Stromflußsysteminformation abgestimmt werden. Die hierin beschriebenen Verfahren, Systeme und computerlesbaren Medien ermöglichen auch die Ermittlung einer tatsächlichen Impedanz des elektrischen Netzes und der Steuerung des Abgabestroms des Stromwandlersystems auf der Basis der aktuellen Netzspannung.
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Technische Auswirkungen der hierin beschriebenen Verfahren und Systeme beinhalten wenigstens Eines von: (a) einer Überwachung einer Spannungsabgabe wenigstens eines Stromwandlers; (b) einer Aufzeichnung von der Spannungsabgabe des Stromwandlers zugeordneten Spannungsabgabedaten; (c) eines Empfangs eines Zeitbezugssignals und einer Zuordnung eines Zeitstempels zu den Spannungsabgabedaten; (d) einer Messung eines Spannungs-Phasors an einer ersten Stelle, wobei die erste Stelle an einem gegenüberliegenden Ende einer Übertragungsleitung von dem Stromwandler positioniert ist; (e) eines Empfangs des Zeitbezugssignals und einer Zuordnung des Zeitbezugssignals zu dem Spannungs-Phasor, um Phasor-Daten zu erzeugen; (f) einer Übertragung der Phasor-Daten an eine Stromwandlersteuerung; und (g) einer Steuerung, unter Nutzung der Stromwandlersteuerung, des Stromwandlers auf der Basis wenigstens teilweise der Phasor-Daten und der Spannungsabgabedaten.
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1 ist eine Blockdarstellung eines exemplarischen Stromversorgungssystems 10, das wenigstens ein Stromerzeugungssystem auf der Basis erneuerbarer Energie aufweist, das mit einem elektrischen Netz 14 über wenigstens einen Leiter 16 verbunden ist. In der veranschaulichenden Ausführungsform umfasst der wenigstens eine Leiter 16 wenigstens eine Übertragungsleitung, die eine elektrische Verbindung zu einem in erheblichem Abstand von dem elektrischen Netz 14 angeordneten Stromerzeugungssystem erzeugen kann. Windfarmen und Solarfarmen, die hohe Leistung erzeugen, erfordern typischerweise eine erhebliche Menge an freien Platz. Verfügbarer Platz und Stellen mit einem hohen Grad an Wind/Solar-Exposition können Hunderte Meilen von mit dem elektrischen Netz 14 verbundenen Lastzentren entfernt sein. Obwohl nur als eine Übertragungsleitung beschrieben, kann der wenigstens eine Leiter 16 wenigstens eine Verteilungsleitung oder einen beliebigen anderen Leiter oder eine Gruppe von Leitern aufweisen, die in der Lage sind, das Stromerzeugungssystem mit dem elektrischen Netz 14 zu verbinden. Ferner kann das Stromversorgungssystem 10 ein Übertragungssystem, ein Verteilungssystem und/oder eine beliebige andere Art von System beinhalten, das die Lieferung von Strom an ein elektrisches Netz ermöglicht.
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In der veranschaulichenden Ausführungsform enthält eine Quellenseite 18 der Übertragungsleitung 16 ein erstes Stromerzeugungssystem 20 und ein zweites Stromerzeugungssystem 22. Obwohl als zwei Stromerzeugungssysteme enthaltend beschrieben, kann die Quellenseite 18 der Übertragungsleitung 16 eine beliebige Anzahl von Stromerzeugungssystemen beinhalten, die es dem Stromerzeugungssystem 10 ermöglichen, wie hierin beschrieben zu funktionieren. Ferner kann, wenn das erste und das zweite Stromerzeugungssystem 20 und 22 auf Windenergie basierende Stromerzeugungssysteme sind, die Stromquelle 18 als eine Windfarm bezeichnet werden. Ferner kann, wenn das erste und das zweite Stromerzeugungssystem 20 und 22 auf Solarenergie basierende Stromerzeugungssysteme sind, die Stromquelle 18 als eine Solarfarm bezeichnet werden.
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In der veranschaulichenden Ausführungsform enthält das erste Stromerzeugungssystem 20 eine Stromquelle 26 und einen Stromwandler 28. Das zweite Stromerzeugungssystem 22 enthält eine Stromquelle 30 und einen Stromwandler 32. Beispielsweise kann, wenn die Quellenseite 18 eine Windfarm ist, die Stromquelle 26 eine Windkraftanlage enthalten. Der Stromwandler 28 kann einen Wechselstrom/Gleichstrom-(AC)/(DC)-Wandler und einen DC/AC-Wandler zum Umwandeln einer Stromabgabe mit variabler Frequenz einer Windkraftanlage in eine Stromabgabe mit fester Frequenz enthalten. In einem weiteren Beispiel kann, wenn die Quellenseite 18 eine Solarfarm ist, die Stromquelle 26 ein Photovoltaik-(PV)-Anlage enthalten und der Stromwandler 28 kann einen Solarwandler enthalten. PVs geben typischerweise eine Gleichspannung-(DC)-Spannung aus. Der Solarwandler kann einen Wechselrichter enthalten, der die DC-Spannung empfängt und sie in eine dreiphasige AC-Ausgangsspannung umwandelt, die an eine Last, beispielsweise das elektrische Netz 14, angelegt wird. Obwohl sie als eine Solarfarm oder Windfarm beschrieben ist, kann die Stromquelle 26 jede beliebige Art von einer über einen Wandler verbundenen Stromquelle sein.
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Wie hierin bezeichnet, ist das elektrische Netz 14 ein Netzwerk von Leitern und Vorrichtungen, die zur Verteilung und/oder Übertragung von Elektrizität eingerichtet sind. In der veranschaulichenden Ausführungsform enthält die Quellenseite 18 auch eine zentrale Systemsteuerung 36. Die Systemsteuerung 36 ist kommunikationstechnisch mit dem ersten Stromerzeugungs- und Umwandlungssystem 20 und zweiten Stromerzeugungs- und Umwandlungssystem 22 verbunden. In der veranschaulichenden Ausführungsform stellt die zentrale Systemsteuerung 36 Steuersignale für die Stromwandler 28 und 32 bereit, die eine Stromabgabe der Systeme 20 bzw. 22 steuern. Die Systemsteuerung 36 ist eine zentralisierte Steuerung, die den Betrieb der Systeme 20 und 22 koordiniert, um einen gewünschten Strom an die Übertragungsleitung 16 auszugeben. Beispielsweise kann die Systemsteuerung 36 in einem Windfarm-Managementsystem enthalten sein und dafür eingerichtet sein, den Betrieb der in der Windfarm enthaltenen Windkraftanlagen und Stromwandler zu koordinieren. In einer alternativen Ausführungsform kann das System 20 eine Wandlersteuerung 40 enthalten und das System 22 kann eine Wandlersteuerung 42 enthalten. Die Wandlersteuerung 40 steuert den Betrieb des Stromwandlers 28 und/oder der Stromquelle 26 entweder autonom oder auf der Basis von aus der zentralen Systemsteuerung 36 empfangenen Steuersignalen. Die Wandlersteuerung 42 steuert den Betrieb des Stromwandlers 32 und/oder der Stromquelle 30 entweder autonom oder auf der Basis von aus der zentralen Systemsteuerung 36 empfangenen Steuersignalen.
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In der veranschaulichenden Ausführungsform enthalten die Steuerungen 36, 40 und 42 einen Prozessor, beispielsweise die Prozessoren 44, 46 bzw. 48. Der Begriff ”Prozessor”, wie er hierin verwendet wird, bezeichnet zentrale Verarbeitungseinheiten, Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Schaltungen mit reduziertem Instruktionssatz (RISC), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), Logikschaltungen und beliebige andere Schaltkreise oder einen Prozessor, der in der Lage ist, die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen.
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In der veranschaulichenden Ausführungsform enthält das Stromversorgungssystem 10 auch eine Phasor-Messeinheit (PMU) 50. In der veranschaulichenden Ausführungsform ist die PMU 50 auf einer Netzseite 52 der Übertragungsleitung 16 positioniert, welche von der Quellenseite 18 entfernt ist. Die PMU 50 misst die Spannung und den Stromfluss an der Netzseite 52 und gibt einen Phasor-Signal der gemessenen Spannung und des Stromflusses des Netzes aus. In der veranschaulichenden Ausführungsform ist die PMU 50 kommunikationstechnisch mit der Systemsteuerung 36 verbunden. In einer alternativen Ausführungsform ist die PMU 50 kommunikationstechnisch mit den Wandlersteuerungen 40 und 42 verbunden. Die PMU 50 kann mit jeder beliebigen Kombination von Steuerungen 36, 40 und 42 verbunden sein, die es dem System 10 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu funktionieren.
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Beispielsweise kann die PMU 50 kommunikationstechnisch mit der Systemsteuerung 36 über ein faseroptisches Kabel und/oder einem beliebigen anderen Typ von drahtgebundener Verbindung verbunden sein, die eine Funktion des Systems 10 wie hierin beschrieben ermöglicht. In einer alternativen Ausführungsform kann die PMU 50 kommunikationstechnisch mit der Systemsteuerung 36 über eine drahtlose Verbindung verbunden sein. Die drahtlose Übertragung kann, ist jedoch nicht darauf beschränkt, Mobilfunkübertragung, Satellitenübertragung, Hochfrequenz-(HF)-Übertragung, Übertragung unter Anwendung eines IEEE 802.11 Standards (z. B. 802.11(g) oder 802.11(n), Übertragung unter Verwendung eines ”Microwave Access” (WIMAX) Standards und/oder irgendeine beliebige drahtlose Übertragung beinhalten, die eine Funktion der PMU 50 wie hierin beschrieben ermöglicht.
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In der veranschaulichenden Ausführungsform enthält die PMU 50 einen ersten GPS-Empfänger 60 oder ist damit verbunden, der dafür eingerichtet ist, Zeitinformation, beispielsweise von einem Satelliten 62 zu empfangen. Der GPS-Empfänger 60 kann ein Signal empfangen, das der koordinierten Weltzeit (UTC – Universal Time Coordinated) entspricht. Die zeitliche Information kann hierin als ein ”Zeitstempel” bezeichnet werden. Der erste GPS-Empfänger 60 ist mit der PMU 50 verbunden oder darin enthalten. Ein Zeitstempel wird gesammelt, gespeichert und/oder mit einem entsprechenden Informationsteil gesendet. Beispielsweise kann ein Zeitstempel mit Phasor-Information gespeichert werden, um einen Zeitpunkt aufzuzeichnen, an dem die Phasor-Information gesammelt wurde. Der Zeitstempel kann auch mit der entsprechenden Phasor-Information an die Systemsteuerung 36 zur Verwendung durch die Systemsteuerung 36 gesendet werden. In der veranschaulichenden Ausführungsform enthält die Systemsteuerung 36 zeitgestempelte Spannungs-Phasorwerte. Die Ermittlung der zeitlichen Information aus einem GPS-Signal ermöglicht die Gewinnung koordinierter Zeitstempel an unterschiedlichen Stellen.
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In der veranschaulichenden Ausführungsform enthält die Systemsteuerung 36 einen zweiten GPS-Empfänger 64 oder ist damit verbunden. Der zweite GPS-Empfänger 64 ist zum Empfangen des GPS-Signals 66 eingerichtet, das Orts- und Zeitinformation beispielsweise aus dem Satelliten 62 enthält. In einer alternativen Ausführungsform enthalten die Wandlersteuerungen 40 und 42 ebenfalls GPS-Empfänger.
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In der veranschaulichenden Ausführungsform ermöglichen bei einer Systemsteuerung 36 von einer entfernten PMU 50 empfangene Phasor-Daten den Systemen 20 und 22 eine Synchronisation mit dem Netz 14 selbst bei Spannungseinbruch-Fehlerereignissen und/oder Nullspannungs-Fehlerereignissen aufrechtzuerhalten. Die Aufrechterhaltung der Synchronisation zu dem Netz 14 erleichtert es, die Systeme 20 und 22 für einen bestimmten Zeitraum während Netzfehlerereignissen online zu halten. (d. h., durchlaufen zu lassen). Die Fähigkeit, ein Netzfehlerereignis zu durchlaufen, kann in Netzintegrationsanforderungen beinhaltet sein, die von einem Betreiber des Netzes vorgeschrieben werden. Die Steuerung 36 ist zur Synchronisation mit dem Netz 14 unter Nutzung von Phasor-Daten aus der PMU 50 selbst dann in der Lage, wenn ein Netzereignis ausreichend schwer ist, dass die Systemsteuerung 36 keine Bezugsrestnetzspannung erhalten kann. Wenn der Fehler beseitigt ist und die Verbindung zwischen den Systemen 20 und 22 und dem Netz 14 wieder hergestellt wird, wird die Stromabgabe der Systeme 20 und 22 zu dem Netz 14 synchronisiert, was die Erzeugung eines schädlich großen Stromflusses aufgrund der großen Phasenwinkeldifferenz zwischen den zwei Seiten verhindert.
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Ferner ermöglicht es, in der veranschaulichenden Ausführungsform, der Empfang von Daten aus der entfernten PMU 50 der Steuerung 36 durch einen plötzlichen Phasensprung ausgelöste dynamische Vorgänge abzumildern. Beispielsweise kann, wenn eine mit dem Netz 14 verbundene große Kondensatorbank ein- oder ausgeschaltet wird, oder wenn eine Last mit dem Netz 14 verbunden oder davon getrennt wird, der Spannungsphasenwinkel an der Netzseite 52 springen und zu einem großen dynamischen Vorgang zwischen der Stromabgabe der Systeme 20 und 22 und dem Netz 14 (z. B. einem großen Leistungspendelvorgang) führen. Aus der PMU 50 empfangene Phasor-Daten werden an die Systemsteuerung 36 als Vorwärtseingangssignal geliefert und die Systemsteuerung 36 steuert den Phasenwinkel des Spannungsausgangs durch die Systeme 20 und/oder 22, um die Auswirkung zu begrenzen und eine gleichmäßigere Stromabgabe sicherzustellen.
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In der veranschaulichenden Ausführungsform enthält das System 10 wenigstens eine Messvorrichtung 70, die mit der Systemsteuerung 36 verbunden oder darin enthalten ist und dafür eingerichtet ist, Spannungs- und/oder Stromflussmesswerte von einem Ausgang 72 der Systeme 20 und 22 zu liefern. Die Messvorrichtung 70 kann Messwerte an die Systemsteuerung 36 liefern, aus welchen eine Stromabgabe der Systeme 20 und 22 ermittelt werden kann. In der veranschaulichenden Ausführungsform kombiniert die Systemsteuerung 36 Daten aus der entfernt angeordneten PMU 50 (z. B. Phasor-Daten) und lokale Messwerte aus der Messvorrichtung 70, um eine Leitungsimpedanz der Übertragungsleitung 16 zu ermitteln. Insbesondere ermittelt die Systemsteuerung 36 die Leitungsimpedanz auf der Basis der Stromabgabe der Quellenseite 18, einer Größe und eines Phasenwinkels einer Spannungsabgabe durch die Quellenseite 18 und einer Höhe und eines Phasenwinkels einer Spannung an der Netzseite 52. Ferner kann die Systemsteuerung 36 ermitteln, ob bereits ein thermischer Grenzwert einer Übertragungsleitung 16 erreicht wird, indem die Leitungsimpedanz mit einer Temperatur der Übertragungsleitung 16 verglichen wird (d. h., die Leitungsimpedanz steigt proportional zu ihrer Temperatur). Ferner kann die Systemsteuerung 36 einen Hochimpedanz-Fehler auf der Übertragungsleitung 16 identifizieren, welcher durch die Systemsteuerung 36 als eine plötzliche Veränderung in der Leitungsimpedanz beobachtet wird.
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Die Systemsteuerung 36 kann die Leitungsimpedanz auf der Basis der nachstehenden Formel ermitteln: P ≈ ( ν1·ν2 / x)·sin(α1 – α2) Formel 1
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Die an die Übertragungsleitung 90 gelieferte Leistung ist in der Formel 1 als P dargestellt. Wie vorstehend beschrieben, ermittelt die Steuerung 36 die Leistung P auf der Basis von der Messvorrichtung 70 empfangener Messwerte. Ferner ist eine an die Übertragungsleitung 16 gelieferte Spannungshöhe in der Formel 1 als v1 dargestellt und ein Phasenwinkel der an die Übertragungsleitung 16 gelieferten Spannung ist als α1 dargestellt. In der veranschaulichenden Ausführungsform werden v1 und α1 an die Steuerung 36 durch die Messvorrichtung 70 geliefert. Eine Spannungshöhe an der Netzseite 52 der Übertragungsleitung 16 ist in der Formel 1 als v2 dargestellt und ein Phasenwinkel der Spannung an der Netzseite der Übertragungsleitung 16 ist als α2 dargestellt. V2 und α2 werden durch die PMU 50 an die Steuerung 36 geliefert. Eine Spannungshöhe an der Netzseite 52. Die verbleibende Variable x ist die Leitungsimpedanz der Übertragungsleitung 16.
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Ferner kann, sobald die Leitungsimpedanz bekannt ist, die Steuerung einen maximalen Stromwert ermitteln, den das Netz aufnehmen kann. Im Falle einer Windfarm (d. h., die Stromquelle 26 ist eine Windkraftanlage) wird, wenn die Stromübertragungsfähigkeit der Netzverbindung auf einen geringeren Wert als den verfügbaren Windstrom (d. h. aufgrund eines fehlerinduzierten Spannungseinbruchereignisses) reduziert wird, der Wandler 28 versuchen, seine Stromabgabe mit dem Windstrom abzustimmen, indem er kontinuierlich seine Spannungsphasenvoreilung gegenüber dem Netz erhöht. Die Vergrößerung der Spannungsphase kann schließlich zur Instabilität führen, beispielsweise ähnlich dem ”Außer-Takt-Betrieb” eines herkömmlichen Synchrongenerators. Der Empfang von Phasor-Daten aus der entfernt angeordneten PMU 50 kann zur Sicherstellung einer Systemwinkelstabilität beitragen. Unter bestimmten Systemereignissen kann, wenn die Netzspannung einen längeren Einbruch durchläuft, der Farmgenerator einem Winkelstabilitätsproblem gegenüberstehen, da er versucht, mehr Strom über die Übertragungsleitung zu drücken, als das Netz 52 aufzunehmen bereit ist. Eine Kenntnis der aktuellen Netzspannung ermöglicht es der Farmsteuerung, ihren Abgabestromwert adaptiv zu begrenzen und ein derartiges Winkelstabilitätsproblem zu verhindern.
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2 ist ein Flussdiagramm 100 eines exemplarischen Verfahrens 110 zum Steuern wenigstens eines Stromwandlers, beispielsweise des (in 1 dargestellten) Stromwandlers 28 und/oder 32. Insbesondere veranschaulicht das Flussdiagramm 100 ein exemplarisches Verfahren 110 zum Steuern einer Stromabgabe von Stromerzeugungssystemen 20 und/oder 22 wenigstens teilweise auf der Basis von aus einer PMU, beispielsweise der (in 1 dargestellten) PMU 50, empfangenen Phasor-Daten. In einer Beispielausführungsform ist das Verfahren 110 ein Computer-implementiertes Verfahren, beispielsweise ein durch eine (in 1 dargestellte) Steuerung 36 ausgeführtes Computer-implementiertes Verfahren. In einer weiteren Beispielausführungsform enthält ein auf einem computerlesbaren Medium verkörpertes Computerprogramm wenigstens ein Codesegment, das, wenn es durch einen Computer, wie z. B. die Systemsteuerung 36, ausgeführt wird, das Verfahren 110 durchführt.
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Wie vorstehend beschrieben, liefern die Stromwandler 28 und 32 Strom an ein elektrisches Netz, beispielsweise das (in 1 dargestellte) elektrische Netz 14 über eine Übertragungsleitung, beispielsweise die (in 1 dargestellte) Übertragungsleitung 16. Ferner enthält die Übertragungsleitung 16 ein erstes Ende, beispielsweise eine (in 1 dargestellte) Quellenseite 18 und ein zweites Ende, beispielsweise bei der (in 1 dargestellten) Netzseite 52.
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In der Beispielausführungsform beinhaltet das Verfahren 110 eine Überwachung 120 einer Spannungsabgabe wenigstens eines Stromwandlers, beispielsweise des Stromwandlers 28 und/oder des Stromwandlers 32. Beispielsweise kann eine Messvorrichtung, beispielsweise die (in 1 dargestellte) Messvorrichtung 70 die Spannungsabgabe der Stromwandler 28 und/oder 32 überwachen, 120.
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In der Beispielausführungsform kann das Verfahren 110 auch eine Aufzeichnung, 122, von Spannungsabgabedaten in Verbindung mit der Spannungsabgabe der Stromwandler 28 und/oder 32 beinhalten. Das Verfahren 110 kann auch den Empfang 124 eines globalen Zeitbezugssignals und die Zuordnung eines Zeitstempels zu den Spannungsabgabedaten beinhalten. Die (in 1 dargestellte) Systemsteuerung 36 kann einen GPS-Empfänger, beispielsweise den (in 1 dargestellten) GPS-Empfänger 64 beinhalten, der dafür eingerichtet ist, ein GPS-Signal zu empfangen, 124, das Zeitbezugsdaten enthält.
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In der Beispielausführungsform beinhaltet das Verfahren 110 auch die Messung 126 eines Spannungs-Phasors an einer ersten Stelle, beispielsweise an der Netzseite 52 der Übertragungsleitung 16. Eine PMU, beispielsweise die (in 1 dargestellte) PMU 50 kann an der Netzseite 52 positioniert sein, um einen Spannungs-Phasor an der Netzseite 52 der Übertragungsleitung 16 zu messen, 126. Das Verfahren 110 beinhaltet auch den Empfang 128 des Zeitbezugssignals und der Zuordnung des Zeitbezugssignals zu dem Spannungs-Phasor, um zeitgestempelte Phasor-Daten zu erzeugen. In der Beispielausführungsform beinhaltet das Verfahren 110 auch das Senden 130 der Phasor-Daten an eine Stromwandlersteuerung, wie z. B. die Steuerung 36.
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Beispielsweise kann die PMU 50 die Phasor-Daten an die zentrale Steuerung 36 senden, 130. In einer alternativen Ausführungsform sendet 130 die PMU 50 die Phasor-Daten an einzelne Stromwandlersteuerungen, beispielsweise die (in 1 dargestellten) Stromwandlersteuerungen 40 und/oder 42. Das Verfahren 110 beinhaltet auch die Steuerung 132 der Stromwandler 28 und/oder 32 wenigstens teilweise auf der Basis der Phasor-Daten und der Spannungsabgabedaten.
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Das Verfahren 110 kann auch die Synchronisierung 134 der Spannungsabgabe der Stromwandler 28 und/oder 32 zu den Phasor-Daten beinhalten. Die Synchronisierung 134 kann die Steuerung der Stromwandler 28 und/oder 32 zur Abgabe einer Spannung mit einem Winkel beinhalten, der mit der an der Netzseite 52 der Übertragungsleitung 16 gemessenen Spannung phasengleich ist.
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Das Verfahren 110 kann auch die Ermittlung 136 einer Stromabgabe der Stromwandler 28 und/oder 32 und die Ermittlung 138 einer Impedanz der Übertragungsleitung 16 wenigstens teilweise auf der Basis der Stromabgabe und der Phasor-Daten beinhalten. Die Steuerung 36 kann die Impedanz der Übertragungsleitung 16 wenigstens teilweise auf der Basis aus der PMU 50 empfangener Daten und von einer lokalen Strommessvorrichtung, beispielsweise der (in 1 dargestellten) Strommessvorrichtung 17 ermitteln, 138. Insbesondere kann die Steuerung 36 die Impedanz (X) der Übertragungsleitung ermitteln, 138, auf der Basis von: P ≈ ( ν1·ν2 / x)·sin(α1 – α2)
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Das Verfahren 110 kann auch die Ermittlung 140 eines maximalen Stroms, den das Netz aufnehmen kann, wenigstens teilweise auf der Basis der Impedanz der Übertragungsleitung 16 beinhalten.
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Es dürfte sich verstehen, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen auf keinerlei speziellen Prozessor für die Durchführung der Verarbeitungsaufgaben der Erfindung beschränkt ist. Der Begriff ”Prozessor”, wie dieser Begriff hierin verwendet wird, soll jede Maschine bezeichnen, die in der Lage ist, die Berechnungen oder Schätzungen durchzuführen, die zum Durchführen der Aufgaben dieser Erfindung erforderlich sind. Der Begriff ”Prozessor” ist auch für die Bezeichnung jeder Maschine gedacht, die in der Lage ist, eine strukturierte Eingabegröße anzunehmen und die Eingabegröße gemäß vorgeschriebenen Regeln zum Erzeugen einer Ausgabegröße zu verarbeiten. Es sollte auch angemerkt werden, dass der Ausdruck ”eingerichtet für”, wie er hierin verwendet wird, bedeutet, dass der Prozessor mit einer Kombination von Hardware und Software zur Durchführung der Aufgaben der Ausführungsformen der Erfindung ausgestattet ist, wie es dem Fachmann bekannt ist.
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Ferner haben, soweit nicht anderweitig definiert, hierin verwendete technische und wissenschaftliche Begriffe dieselbe Bedeutung wie sie allgemein vom Fachmann verstanden wird, an den sich diese Offenlegung richtet. Die Begriffe ”erst...”, ”zweit...” und dergleichen, wie sie hierin verwendet werden, bedeuten keine Reihenfolge, Menge oder Wichtigkeit, sondern werden lediglich dazu genutzt, ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Auch die Begriffe ”ein...” bedeuten keine Einschränkung der Menge, sondern bedeuten das Vorliegen von wenigstens einem von dem angesprochenen Element. Der Begriff ”oder” ist als einschließender gemeint und meint eines, einige oder alle angeführten Elemente.
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Die Verwendung von ”enthaltend”, ”aufweisend” oder ”habend” und Varianten davon sollen hierin alle danach angeführten Elemente und Äquivalent sowie zusätzliche Element umfassen. Die Begriffe ”verbunden” und ”gekoppelt” sind weder auf direkte noch indirekte physische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen beschränkt. Ferner können die Begriffe ”Schaltkreis” und ”Schaltung” und ”Steuerung” entweder nur eine Komponente oder mehrere Komponenten beinhalten, welche entweder aktiv und/oder passiv und mit miteinander verbunden oder anderweitig gekoppelt sind, um die beschriebene Funktion bereitzustellen.
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Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können ein oder mehrere computerlesbare Medien umfassen, wobei jedes Medium dafür eingerichtet sein kann, darauf Daten oder computerausführbare Instruktionen zum Manipulieren von Daten zu enthalten oder enthält. Die computerausführbaren Instruktionen beinhalten Datenstrukturen, Objekte, Programme, Routinen oder andere Programmmodule, auf die durch ein Verarbeitungssystem zugegriffen werden kann, wie z. B. durch ein einem Allzweck-Computer zugeordnetes, das in der Lage ist, eine beschränkte Anzahl von Funktionen auszuführen. Computerausführbare Instruktionen veranlassen das Verarbeitungssystem, eine bestimmte Funktion oder Gruppe von Funktionen auszuführen und sind Beispiele von Programmcodemitteln zum Implementieren hierin offengelegter Schritte und Verfahren. Ferner stellt eine spezielle Ablauffolge ausführbarer Instruktionen ein Beispiel entsprechender Handlungen dar, die zum Implementieren solcher Schritte verwendet werden können. Beispiele computerlesbarer Medien beinhalten einen Arbeitsspeicher (”RAM”), einen Nur-Lese-Speicher (”ROM”), einen programmierbaren Nur-Lese-Speicher (”PROM”), einen löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (”EPROM”), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (”EEPROM”), eine Compact Disk Nur-Lese-Speicherplatte (CD-ROM), oder jedes andere Bauteil oder Komponente, das in der Lage ist, Daten oder ausführbare Instruktionen zu liefern, auf die durch eine Verarbeitungssystem zugegriffen werden kann.
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Hierin sind Beispielverfahren, Systeme und computerlesbare Medien zum Steuern des Betriebs eines Stromwandlers wenigstens teilweise auf der Basis durch eine PMU gewonnener Fern-Stromdaten beschrieben. Durch Empfangen der Netz-PMU-Messwerte, wie z. B. des Spannungsphasenwinkels und durch Synchronisieren einer lokalen Phasenregelschleife (PLL) ist eine Generatorsteuerung für erneuerbare Energie in der Lage, wichtige Information über die Netzverbindung zu erfassen. Beispielsweise kann die Steuerung durch die Bewertung von Leistung gegenüber dem Phasenwinkel die Netzstärke ermitteln. Außerdem liefern ein von den PMU-Messwerten detektierter Phasensprung oder Spannungseinbruch der Steuerung einen Hinweis auf ein Netzfehlerereignis. Die PMU-Information ermöglicht der Steuerung, die Steuerungsparameter adaptiv anzupassen, um die dynamische Reaktion des Stromerzeugungssystems gemäß den aktuellen Netzbedingungen zu optimieren. Die PMU-Information verbessert auch die Fähigkeit des Systems, ein Netzfehlerereignis zu durchlaufen und die Synchronisation zu dem Netz für ein verbessertes Erholungsverhalten von dem Netzfehlerereignis aufrechtzuerhalten.
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Die hierin beschriebenen Verfahren, Systeme und computerlesbaren Medien ermöglichen eine effiziente und wirtschaftliche Steuerung eines Stromerzeugungssystems. Beispielsausführungsformen von Verfahren und Systemen sind hierin im Detail beschrieben und/oder veranschaulicht. Die Verfahren und Systeme sind nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern es können stattdessen Komponenten jedes Systems sowie Schritte jedes Verfahrens unabhängig und getrennt von anderen Komponenten und hierin beschriebenen Schritten genutzt werden. Jede Komponente und jeder Verfahrensschritt kann auch in Kombination mit anderen Komponenten und/oder Verfahrensschritten genutzt werden.
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Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich ihrer besten Ausführungsart offenzulegen und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
